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焊接物理 (Welding Physics )

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焊接物理 (Welding Physics ). 山东大学材料科学与工程学院 孙俊生. 药芯焊丝. 第 5 章 焊丝 设计基础. 焊丝是焊接时作为填充金属或同时作为导电用的金属丝,它是埋弧焊、气体保护焊、自保护焊、电渣焊和气电立焊等工艺方法的焊接材料。. 随着焊接技术的发展,焊丝的消耗量不断增加。. 提供 : Lincoln Electric. 提供: Lincoln Electric. 提供: Lincoln Electric. MIG/MAG 焊接耗材. 焊丝 :. 以丝线盘、塑料线盘或线圈方式提供. 随机缠绕或有序缠绕. 线圈. 塑料线盘.

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Presentation Transcript
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焊接物理(Welding Physics)

山东大学材料科学与工程学院 孙俊生

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药芯焊丝

第5章 焊丝设计基础

焊丝是焊接时作为填充金属或同时作为导电用的金属丝,它是埋弧焊、气体保护焊、自保护焊、电渣焊和气电立焊等工艺方法的焊接材料。

随着焊接技术的发展,焊丝的消耗量不断增加。

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提供 : Lincoln Electric

提供:Lincoln Electric

提供:Lincoln Electric

MIG/MAG焊接耗材

焊丝:

  • 以丝线盘、塑料线盘或线圈方式提供
  • 随机缠绕或有序缠绕

线圈

塑料线盘

丝线盘

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随着自动焊接技术的迅速发展,焊丝的需求量和品种增长很快,尤其是药芯焊丝的发展速度更加突出。
  • 目前国产焊丝已达70余种,我国焊丝和焊剂的产量约占焊材总量的10%左右,远远低于工业发达国家的比例。
  • 随着社会需求和药芯焊丝制造技术的提高,估计在不远的将来,我国焊丝生产将有一个较大的飞跃,逐步缩小与欧、美等工业发达国家的差距。
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实心焊丝现状
  • 中国现有气体保护焊实心焊丝生产企业200余家,生产品种包括碳钢、低合金高强钢、耐热钢、不锈钢等气体保护焊实心焊丝。
  • 年产能在5~10万吨以上的骨干企业群已初步形成。
  • 许多大型生产企业可生产高效桶装实心焊丝,反映了中国焊接技术水平的提高,焊接材料生产技术的逐步完善和成熟且向高效自动化方向发展,并与国际接轨。
  • 气体保护焊实心焊丝行业的发展趋势为产能和产量不断增加、产品质量逐步提高、产品品种日渐完善。
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10年来实心焊丝产量由1999年的10万吨提高到2008年的116万吨;平均年增长率超过30%;
  • 占全部焊接材料的比例由10%提高到30%,表明中国焊接自动化水平的不断提高。
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中国部分行业实心焊丝的年使用量见表4,可见气体保护焊实心焊丝的应用面在不断扩大,应用前景十分广阔。
  • 在2008年焊接材料出口统计中,气体保护焊实心焊丝ER70S-6等品种出口约15万吨,出口量约占焊接材料总出口量的39.5%。
  • 近5年中国气体保护焊实心焊丝出口情况如图5示,可见出口量及其所占焊接材料总出口量的比例逐年上升。
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在实心焊丝的制造工艺方面,近年国外推出了先进制造工艺,如非镀铜特殊涂层实心焊丝制造工艺,国内已有类似产品推出。
  • 目前这种焊丝成本较高,对导电嘴磨损较大和承载大电流能力较弱的问题尚待进一步完善和解决。
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埋弧焊焊丝现状
  • 目前,年产量约20万吨,生产厂商近百家,分布全国各地;
  • 生产品种有20多种,大部分以盘状供货,只有少数生产企业可提供桶装埋弧焊丝;
  • 低碳钢、低合金钢用埋弧焊丝占80%以上,产品质量基本满足中国低碳钢、低合金钢的焊接技术要求。
  • 为了适应钢材高强度、高韧性、微合金化的发展趋势,研制成功了低碳微合金焊丝,用于X70、X80管线钢的埋弧焊接。但一些特殊要求的焊丝,目前仍依赖进口。
  • 埋弧焊丝的发展方向,一是与钢厂联合,开发研制各种强度级别的低碳高韧高强钢焊丝;二是发展金属粉芯埋弧焊丝。
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药芯焊丝的现状
  • 中国药芯焊丝的研制始于20世纪60年代中期,但很长时间停留在试验摸索阶段,没有实现工业化生产。
  • 2007年中国的药芯焊丝总产量跃居世界第一,达22万吨,2008年超过34万吨,其中结构钢药芯焊丝约32万吨,堆焊药芯焊丝约2万吨,继续保持世界冠军的地位。
  • 到2008年,民族品牌的药芯焊丝已经占到中国市场的60%以上,若加上在中国内地生产的外资品牌药芯焊丝,国产药芯焊丝市场份额已超过95%。
  • 2008年中国药芯焊丝出口量约为有8.1万吨,其中外资企业占6.6万吨,内资企业占1.5万吨。内资企业的出口主要以贴牌贸易为主,真正以民族品牌出口的药芯焊丝份额很小。
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中国已有3家内资企业的药芯焊丝年产销量超过3万吨,跻身世界药芯焊丝产销量前十强。
  • 中国药芯焊丝生产企业呈现国资控股、外资和民营三足鼎立之势。
  • 外资企业主要有美国ITW集团、天泰公司、美国林肯公司、韩国现代、韩国高丽等;
  • 国资控股企业主要有天津三英、北京安泰等;
  • 民营企业主要有天津金桥和天津大桥等。
  • 目前国内已有药芯焊丝生产企业60多家。2008年产销超过3万吨的企业有6家以上,年产1万吨以上的企业有10余家。
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药芯焊丝产品现状
  • 钛型全位置药芯焊丝占世界和中国药芯焊丝市场的90%以上,是市场的主导产品,经过十几年的发展,该类型的国产产品已经达到国际先进水平,完全可以取代进口。以前困扰药芯焊丝企业的三大问题,气孔(凹坑)、裂纹和送丝都得到明显改善。
  • 国产自保护药芯焊丝已成功用于西气东输二线的X80钢管道焊接,达到世界先进水平。
  • 金属粉芯药芯焊丝的品质提升和推广应用,是药芯焊丝的一个重要发展方向。金属粉芯药芯焊丝与传统金红石型或中性及碱性熔渣型药芯焊丝相比,具有熔敷速度高、焊接熔渣少、焊接烟尘少、扩散氢含量低、焊缝成形好、熔敷金属化学成分和力学性能容易调整等一系列优点。
  • 日本开发的各类金属粉芯焊丝,偏重于提高熔敷速度和效率,大都只能进行平焊和平角焊,少数品种可用于横焊,但基本不能适用于全位置焊接。
  • 美国的金属粉芯焊丝在注重提高焊缝内在质量的同时,还注重改善焊接工艺性能,提高熔敷效率,一些品种可适用于全位置焊接。
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2008年,日本药芯焊丝产量占焊接材料总产量的36%~37%,韩国占52%。
  • 2008年,中国药芯焊丝总产量约占焊接材料总量的9.1%,仍然有较大提升空间。
  • 预计未来10年内,药芯焊丝份额将达到焊接材料总量的15%~20%。
  • 中国药芯焊丝将由造船业逐步向钢结构、石化、汽车和机械制造等行业普及推广。
  • 将工作重点转移到调整结构、优化升级、研发新品上,大力发展优质高效的新型药芯焊丝。
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5.1 焊丝的分类

焊丝有多种分类方法,常用分类方法为:

1.按适用的焊接方法 埋弧焊焊丝、CO2焊焊丝、钨极氩弧焊焊丝、自保焊焊丝及电渣焊焊丝等

2.按焊丝的形状结构 实心焊丝和药芯焊丝。药芯焊丝又分为气保护和自保护两种。

3.按适用的金属材料 低碳钢、低合金钢焊丝、硬质合金堆焊焊丝,铝、铜与铸铁焊丝等

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ER X X—X

字母或数字,表示焊丝化学成分分类代号

表示熔敷金属抗拉强度最低值, kgf/mm2

表示焊丝

(一)焊丝的型号

用型号和牌号来反映焊丝主要性能特征及类别。

焊丝型号是国家标准规定的,能反映焊丝的主要特征。型号包括以下含义:焊丝、焊丝类别、焊丝特点(如熔敷金属抗拉强度、化学成分、保护气体种类、熔敷金属扩散氢含量、熔滴过渡类型等)、焊接位置及焊接电源等。

1. 实心焊丝的型号

气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝型号

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2. 药芯焊丝的型号
  • 等效采用美国焊接学会AWS标准。
  • GB/T10045-2001《碳钢药芯焊丝》标准等效采用AWS A5.20-95标准。
  • GB/T17493-2008《低合金钢药芯焊丝》标准等效采用AWS A5.29-80标准。
  • GB/T17853-1999《不锈钢药芯焊丝》标准等效采用AWS A5.22-95标准。
  • AWS采用英制单位,强度以ksi(或psi),我国用公制单位,强度用MPa。造成两者在型号编制中强度表示的数值上有区别。

1ksi=1千磅/平方英寸; 1psi =1磅/平方英寸

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2. 药芯焊丝的型号

碳钢药芯焊丝型号是根据其熔敷金属力学性能、焊接位置及焊丝类别特点(保护类型、电流类型及渣系特点等)进行划分。

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字母“E” 表示焊丝,字母“T” 表示药芯焊丝。
  • 字母“E” 后面的2 位数字表示熔敷金属的力学性能。
  • 字母“E”后面的第3 位数字表示推荐的焊接位置,其中”0”表示平焊和横焊位置,”1”表示全位置。
  • 短划后面的数字表示焊丝的类别特点。
  • 字母“M”表示保护气体为75%~80%Ar+CO2,当无“M”时,表示保护气体为CO2或自保护类型。
  • 字母“L”表示熔敷熔敷金属的冲击性能在-40时,其V 形缺口冲击功不小于27J,无“L”时,表示焊丝熔敷金属的冲击性能符合一般要求。
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根据药芯焊丝的渣系、保护气体、电源使用特点对其进行了分类:

ET-1和ET-1M

  • T-1类焊丝以CO2 作保护气体,当用户需改进工艺性能时,尤其用于不适当位置焊接时,也可以采用 混合气体(如Ar+CO2)。随着Ar+CO2混合气体中Ar的增加,焊缝金属中的Mn和Si含量将增加,从而将提高焊缝金属的屈服强度和抗拉强度,并影响冲击性能。
  • T-1M以作75%~80%的Ar+CO2作保护气体。
  • T-1和ET-1M焊丝可用于单道焊和多道焊,采用直流反接。
  • T-1和ET-1M类焊丝的特点是喷射过渡,飞溅量小,焊道形状为平滑至微凸,熔渣量适中并可完全覆盖焊道。
  • T-1和ET-1M焊丝大多是氧化钛为主体的渣系(习惯上称为钛型渣系或金红石渣系),并且具有高的熔敷速度。
  • T-1和ET-1M是国内外应用最广的焊丝类型。

药芯特点:金红石型,熔滴呈喷射过渡

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T-2和T-2M焊丝
  • 这类焊丝具有更高Mn或Si含量或二者含量都高的T-1或T-1M类焊丝。
  • 主要用于平焊位置单道焊和横焊位置角焊缝焊接。
  • 焊丝的脱氧性较强,可以单道焊接严重氧化的钢或沸腾钢。
  • 这类焊丝的熔滴过渡、焊接特性和熔敷速度与T-1/T-1M相似。
  • 可用于焊接T-1/T-1M焊丝所不允许的表面有较厚氧化皮、锈蚀及其他杂质的钢材。
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T-3焊丝
  • 焊丝是自保护型,采用直流反极性(DCEP),熔滴为喷射过渡,渣系主要以金红石渣为基础,焊缝塑韧性相对较低。
  • 渣系设计特点是焊接速度非常高,用于板材平焊位置单道焊,横焊和立焊(倾斜不超过20°)。
  • 该类焊丝对母材金属硬化的影响很敏感,一般不建议用于下列情况:

板厚超过4.8mm的T 形或搭接接头;

板厚超过6.4mm的对接、端接或角接接头。

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T-4焊丝
  • 焊丝是自保护型,采用直流反极性(DCEP),熔滴呈颗粒过渡。渣系通常是CaF2和作为脱氧元素和氮化物形成元素的Al组成。
  • 渣系设计特点是焊接速度非常高,焊缝含S量非常低,抗热裂性能非常好。
  • 一般用于焊接根部以外浅熔深焊接。适于焊接装配不良的接头,可以单道焊或多道焊。
  • T-5/T-5M焊丝
  • T-5焊丝用CO2作保护气体,也可以使用Ar+CO2混合气体以减少飞溅。
  • T-5M焊丝设计用75%~80%Ar+CO2作保护气体。
  • 这两类焊丝采用直流正接(DCEN),可以全位置焊接,焊接工艺性能不如钛型渣系。
  • 这两类焊丝主要用于平焊位置单道焊或多道焊,横焊位置角焊。
  • 焊丝特点是粗滴过渡,微凸焊道形状,不能完全覆盖焊道的薄渣。
  • 渣系为氧化钙-氟化物(碱性渣系),焊缝金属具有比钛型渣系更为优异的冲击性能和抗裂性能。
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T-6焊丝
  • T-6焊丝是自保护型,使用烧结合成原料作为药芯组成物。
  • 采用直流反接(DCEP),熔滴呈喷射过渡。
  • 渣系特点是具有良好的低温冲击韧性,可满足同T-5型焊丝相同韧性要求值。
  • 焊缝根部良好的熔透性、优良的脱渣性能,甚至在深坡口内脱渣良好。
  • 适于平焊和横焊位置的单道焊和多道焊。
  • T-7焊丝
  • T-6焊丝是自保护型。
  • 采用直流正接(DCEN),熔滴呈细熔滴至喷射过渡。
  • 与T-4焊丝相同,大直径焊丝(不小于2mm)可以高熔敷速度进行平焊和横焊位置焊接,熔深比T-4型更深。
  • 小直径焊丝(不大于1.6mm)用于全位置焊接。
  • 用于单道焊和多道焊,焊缝金属含S量很低,抗裂性非常好。
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T-8焊丝
  • T-8焊丝是自保护型。
  • 该类焊丝综合焊丝的工艺性能和焊缝金属低温韧性。
  • 采用直流正接(DCEN),熔滴呈细熔滴或喷射过渡。
  • 焊丝适于全位置焊接,焊缝金属具有非常好的低温韧性和抗裂性。
  • 用于单道焊和多道焊。
  • 输气管线用的焊丝就属于这种类型,如合伯特Fabshield 81N(AWS E71T8-Ni1)。
  • T-9和T-9M焊丝
  • T-9和T-9M焊丝的熔滴过渡、焊接特性和熔敷速度与T-1/T-1M类相似,但冲击韧性有所改善。
  • T-9为CO2保护,有时为了改善工艺性能,尤其当用于不适当位置焊接时,也可以用Ar+CO2保护。由于保护气氧化性的改变,将影响焊缝金属的化学成分和力学性能。
  • T-9M以75%-80%Ar+CO2保护,减少Ar量,将导致电弧性能和不适当位置焊接性能变坏,同时降低焊缝的Mn、Si含量,影响焊缝性能。
  • 用于单道焊和多道焊,大直径焊丝(不小于2mm)用于平焊位置和横焊位置角焊缝,小直径焊丝(不大于1.6mm)常用于全位置焊接。
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T-10焊丝
  • T-10焊丝是自保护型。
  • 采用直流正接(DCEN),熔滴以细颗粒形式过渡。
  • 焊丝熔敷金属的塑性好于T-3焊丝,对冲击韧性仍不做要求。
  • 可用于任何厚度的材料上。
  • 在平焊、横焊和立焊(倾斜不超过20°)位置上,可以高速焊接。
  • T-11焊丝
  • T-11焊丝是自保护型,特点与T-7焊丝相似。
  • 采用直流正接(DCEN),具有平稳的喷射过渡。
  • 除非保证预热和道间温度控制,一般不推荐用于厚度超过19mm的钢材。
  • 可用于全位置单道焊和多道焊。
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T-12和T-12M焊丝
  • 以T-1/T-1M焊丝为基础,改进了冲击性能,适当降低了Mn含量,降低了强度和硬度。
  • 熔滴过渡、焊接性能和熔敷速度与T-1/T-1M相似。
  • T-13焊丝
  • T-13焊丝是自保护型。
  • 采用直流正接(DCEN),通常以短弧焊接。
  • 渣系的设计能保证焊丝用于管道环缝根部焊道的全位置焊接。
  • 可用于各种壁厚的管道,推荐用于第一道(打底焊),一般不推荐用于多道焊。
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T-14焊丝
  • T-14焊丝是自保护型。
  • 采用直流正接(DCEN),具有平稳的喷射过渡。
  • 渣系的设计以全位置和高速焊接为特点。
  • 用于厚度不超过4.8mm的板材焊接。
  • 常特定设计用于镀锌钢板、镀铝钢板和其他涂层钢板。
  • 这类焊丝对母材硬化的影响敏感,不推荐用于下列情况:

厚度超过4.8mm的T型或搭接接头

厚度超过6.4mm的对接、端接或角接接头

  • T-G焊丝
  • 用于多道焊。
  • 现有确定类型所没有覆盖。
  • 除了保证碳钢熔敷金属化学成分要求和拉伸强度被规定以外,对这类焊丝的要求未作规定,由供需双方商定。
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T-GS焊丝
  • 用于单道焊。
  • 现有确定类型所没有覆盖。
  • 除了保证碳钢熔敷金属化学成分要求和拉伸强度被规定以外,对这类焊丝的要求未作规定,由供需双方商定。

金属粉芯焊丝

金属粉型药芯焊丝的分类归属问题目前没有一个统一的方法。

在日本,金属粉型药芯焊丝包括在药芯焊丝标准之内,当焊丝型号的最后一个字母为“M ”时,即表示金属粉型药芯焊丝。

美国的焊丝标准中,是将金属粉型药芯焊丝包括在气保焊实心焊丝标准中。

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低合金钢药芯焊丝型号

分为非金属粉型药芯焊丝和金属粉型药芯焊丝

非金属粉型药芯焊丝

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(二)焊丝的牌号
  • 焊丝牌号是对焊丝产品的具体命名,它可以由生产厂制定,也可由行业组织统一命名,制定全国焊材行业统一牌号。
  • 按照国家标准要求,在产品样本或包装标签上注明该产品是“符合国标”、“相当国标”或不加标注(即与国标不符),以便用户结合产品性能要求,对照标准去选用。
  • 每种焊丝产品只有一个牌号,但多种牌号的焊丝可以同时对应于一种型号。
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1. 实心焊丝牌号

常用结构钢、耐热钢、低温钢及不锈钢实芯焊丝牌号编制方法如下:

  • 牌号字母“H”表示焊接用实心焊丝。
  • H后的一位或两位数字表示含碳量。
  • 化学元素符号及其后面的数字表示该元素大致的百分含量,含量小于1%时省略
  • 结构钢焊丝牌号尾部的A、E分别表示优质和高级优质品(S、P含量低)

H08Mn2SiA 优质实心焊丝,C≈0.08%,Mn≈2%,Si ≤1%,S、P≤0.030%

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Y J 42 2 - 1

气保护

钛钙型,交直流两用

结构钢

焊缝金属抗拉强度不低于420MPa

2. 药芯焊丝牌号

  • 牌号第一个字母“Y”表示药芯焊丝。第二个字母及其随后的三位数字与焊条牌号编制方法相同
  • 牌号中短横线后的数字,表示焊接时的保护方法:1-气保护,2-自保护,3-两用,4-其他方式
  • 有特殊性能和用途时,在牌号后面加注起主要作用的元素和主要用途的字母,不超过两个。
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HS 2 21

牌号编号为21

铜及铜合金类型

焊丝

3.有色金属、铸铁焊丝牌号

  • 牌号前两个字母“HS”表示焊丝。
  • 牌号第一个数字表示焊丝化学组成类型:
  • 1—堆焊硬质合金,2—铜及铜合金
  • 3—铝及铝合金,4—铸铁
  • 牌号第二、三位数字表示同一类型焊丝的不同牌号。
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5.2 实芯焊丝的设计

1.实芯焊丝的生产

  • 实芯焊丝是热轧线材经拉拔加工而成的。
  • 热轧线材在焊接材料生产厂再经过拉拔、镀铜及绕丝等工序,最终制成焊丝。
  • 为了防止焊丝生锈,除不锈钢焊丝及有色金属焊丝外,都要进行表面处理。目前主要是镀铜处理,包括电镀、浸铜及化学镀等方法。
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细拉后的焊丝应保证一定的强度。
  • 焊丝强度太低(即挺度差),送丝不畅,尤其是送丝距离较长时,容易顶弯。
  • 焊丝强度太高(即太硬),焊丝不易校直,影响电弧的瞄准度,同时,导丝嘴的磨损加快。
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2.碳钢和低合金钢焊丝
  • (1)CO2焊接用实芯焊丝
  • CO2是一种活性气体,具有一定的氧化性,焊接时会导致合金元素大量烧损。
  • CO2焊接用实芯焊丝应有足够数量的脱氧剂,如Si、Mn、Ti等。
  • 合金含量不足,脱氧不充分,将导致焊缝产生气孔,焊缝金属力学性能,特别是韧性将明显下降。
  • 当焊接厚板或平焊、角焊时,焊接电流大,熔滴呈大颗粒滴状过渡,熔滴中的合金元素容易烧损,焊丝中除加入Si、Mn脱氧元素外,还要加入Ti、Zr、Al等强脱氧元素,这些强脱氧元素使熔滴细化、电弧稳定、飞溅减少,焊接工艺性能变好。
  • 常用的焊丝是ER49-1(H08Mn2SiA)、ER50-6(AWS ER70S-6)焊丝。
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(2)MIG焊和MAG焊用实芯焊丝
  • MIG焊一般采用Ar+2%O2或Ar+5%CO2为保护气体,MAG焊接则采用Ar+(20~25)%CO2等为保护气体。
  • MAG焊时,由于保护气体有一定的氧化性,使某些易氧化的合金元素烧损,故焊丝中Mn、Si等脱氧元素的含量应高于其在母材中的含量。
  • 根据等强度匹配,同时兼顾韧性的原则,适当提高Ni、Cr等合金元素的含量,以满足焊缝金属力学性能的要求。
  • 焊接低合金高强度钢时,焊缝中的C含量通常低于母材,Mn含量往往明显高于母材,这不仅为了脱氧,也是焊缝合金化的要求,这种成分设计有利于提高焊缝强度,减少塑性和韧性的降低。同时,为了改善低温韧性,焊缝中的硅含量不宜过高。
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(3)TIG焊用实芯焊丝
  • TIG焊接时,手工填丝采用切成一定长度(通常约1m)的焊棒,自动填丝时采用盘式焊丝。
  • 由于保护气体Ar没有氧化性,焊丝成分即为熔敷金属的成分。TIG焊热输入较小,焊缝强度和塑性、韧性优良,很容易满足各种性能要求。
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(4)埋弧焊用实芯焊丝
  • 低碳钢和低合金钢埋弧焊用焊丝设计为低锰焊丝(如H08A)、中锰焊丝(如H08MnA、H10MnSl)和高锰焊丝(如H10Mn2、H08Mn2Si)三类。
  • 高强钢焊丝设计含Mn1%以上,含Mo 0.3%~0.8%,如H08MnMoA、H08Mn2MoA,用于强度较高的低合金高强钢焊接。
  • 根据高强钢的成分及使用性能要求,还可在焊丝中加入Ni、Cr、V及Re等元素,提高焊缝性能。
  • 590MPa级的,焊缝金属多采用Mn-Mo系焊丝:H08MnMoA、H08Mn2MoA、H10Mn2Mo等;690~780MPa级的焊缝多采用Mn-Cr-Mo系、Mn-Ni-Mo系或Mn-Ni-Cr-Mo系焊丝;当对焊缝韧性要求较高时,可采用含Ni的焊丝,如H08CrNi2MoA等。
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(5)自保护焊用实芯焊丝
  • 自保护焊用实芯焊丝,是通过焊丝中的合金元素在焊接过程中进行脱氧、脱氮,以保证焊缝金属无缺陷,力学性能满足要求。
  • 除了提高焊丝中的C、Si、Mn等常用元素的含量外,还需要加入强脱氧元素,如Ti、Zr、Al、Ce等。
  • 在前苏联等有研究与应用的报道,我国也进行了研究,但工程上没有应用。
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3.不锈钢实芯焊丝
  • 不锈钢实芯焊丝既可用于惰性气体保护焊(TIG、MIG焊),也可用于埋弧焊。
  • 不锈钢实芯焊丝的TIG焊,广泛用于薄板焊接或打底焊的单面焊双面成形,基本无飞溅,焊道成形美观。
  • MIG焊接用的实芯焊丝成分与TIG用的一样。
  • Si含量较高的MIG焊丝,如与ER308、ER309焊丝对应的ER308Si、ER309Si等,由于含Si量高达0.8%左右,降低了熔滴金属的表面张力,熔滴颗粒变细,可实现喷射过渡,电弧稳定。同时还能改善液态金属的润湿性,使焊道波纹美观,不易产生未焊透、夹渣、气孔等缺陷。另外,熔渣的熔点低、渣量少,三层以内可免清渣连续焊接。
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埋弧焊用不锈钢实芯焊丝,其化学成分与气保焊用不锈钢焊丝一样,但应配用无锰中硅中氟或无锰低硅高氟型熔炼焊剂或者碱性烧结焊剂
  • 新发展:日本油脂公司开发制造了TGF系列背面自保护不锈钢焊丝,焊丝牌号为TGF308L、TGH347等。这是一类带特殊涂层的焊丝,焊接时,保护涂层会渗透到熔池背面,形成一层致密的保护层,使焊道背面不受氧化,冷却后这层渣壳会自动脱落,用压缩空气或水冲的方式极易清除。这种焊丝的使用方法与普通TIG焊丝完全相同,涂层不影响正面的电弧和熔池形态。
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5.3 药芯焊丝设计

1.药芯焊丝的生产

  • 药芯焊丝由薄钢带卷成接口为对接或搭接的圆形钢管,并在其中填满一定成分的药粉,经拉制而成,其横截面呈“O”型,气保焊通常以直径1.2mm的细径焊丝为主,兼用2.0~2.4mm的粗径焊丝。堆焊焊丝以直径3.2mm、4.0mm最为常见。
  • 药粉质量与药芯焊丝质量之比,称为药芯焊丝的药粉填充率。填充率的精确控制和恒定是药芯焊丝生产的关键技术。因此,药芯焊丝生产设备中,对填粉机构的要求比较高。
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分类:
  • 按用途不同,药芯焊丝分为低碳钢、低合金钢、高强钢、耐热钢、低温钢、耐腐蚀钢、不锈钢和硬面堆焊用药芯焊丝等。
  • 药芯焊丝根据填充药粉的不同,分为熔渣型药芯焊丝和金属粉型药芯焊丝。
  • 熔渣型药芯焊丝按照熔渣的碱度可分为钛型(酸性渣)、钛钙型(中性或弱碱性渣)和碱性(碱性渣)药芯焊丝。
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特点:
  • 钛型药芯焊丝焊缝成形好,适于全位置焊接,但是冲击韧性、抗裂性稍差。
  • 碱性药芯焊丝冲击韧性、抗裂性好,而焊缝成形及焊接操作性差一些。
  • 钛钙型药芯焊丝几乎介于两者之间。随着药芯焊丝的发展,新型的钛型药芯焊丝不仅焊接工艺性好,而且其熔敷金属的扩散氢含量低,冲击韧性优异,钛钙型药芯焊丝现在已很少使用。
  • 金属粉型药芯焊丝具有实芯焊丝的低渣性(渣产生量很少),良好的抗裂性等特点,并兼备钛型药芯焊丝良好的焊接操作性能,其焊接效率比钛型药芯焊丝还要高。
  • 国内外根据药芯焊丝的类型和熔滴过渡形式将药芯焊丝大体归纳为四种基本类型:钛型、碱性、金属粉型和自保护型四种。
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(1)钛型药芯焊丝渣系设计

钛型药芯焊丝主要是用金红石、硅酸盐、铝酸盐造渣,属于TiO2-SiO2渣系。

2.钛型药芯焊丝设计

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金红石的主要成分为TiO2,它可调整熔渣的熔点和粘度。
  • 熔渣中,随着TiO2含量的增加,熔渣的凝固温度范围减小,形成“短渣”,可适于全位置焊接。
  • 钛是一种很好的稳弧元素,它以金属或矿物质形式加到药粉中,使电弧柔和。
  • TiO2是非常稳定的化合物,不易分解、不会增加焊缝的含氧量。
  • 当TiO2同碱性氧化物共存时仍能使熔渣保持许多碱性渣的特点。常把钛型药芯焊丝称为“金红石-碱性”药芯焊丝。
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为了使药芯焊丝的熔滴过渡形式达到稳定的射流过渡,必须降低熔滴的表面能。
  • 降低熔滴表面能的最简单方法就是使熔滴表面氧化。熔滴上具有少量的表面活性物质时,可大大降低其表面张力系数。
  • 液体钢中最大的表面活性物质是氧和硫,如纯铁被氧饱和后其表面张力系数降低到1.03N/m。
  • 钛型药芯焊丝渣中有硅酸盐或酸性氧化物时,渣和液态金属都含有一定量的氧,一般焊缝金属的含氧量不低于0.065%。
  • 金属与渣的界面上表面张力较小,易于实行射流过渡。
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TiO2的熔点大约是1700~1800℃,药粉中需加入一些矿物质,使其与金红石形成低熔点共晶体,将熔渣的熔点降到1200℃左右,以满足焊接的需要。
  • 焊接时送丝速度快,使药粉短时间内熔化是一个技术难点。解决这一技术难点的方法就是药粉中必须至少加入一种比钢带熔点低的组分,使其有助于传导热量,及时熔化其他高熔点物质。
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(2)焊丝设计示例
  • CO2药芯焊丝的药芯配方一般为钛型渣系,药芯起到保护、稳弧、成形、全位置、脱氧和渗合金等作用。
  • 碳钢和低合金钢药芯焊丝一般加入Mn、Si、Ti等合金元素。
  • CO2药芯焊丝克服了CO2实芯焊丝飞溅大、成形差和大电流下全位置施焊较困难的缺点,具有工艺性好、焊缝质量好、适于交、直流焊接电源和生产率高等优点。
  • 生产效率为CO2实芯焊丝的1.2~2倍,为焊条电弧焊的5~8倍
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药芯焊丝的降尘设计:
  • CO2药芯焊丝的发尘量一般比CO2实芯焊丝的高30~40%,降低其发尘量是一个重要发展方向。
  • 降低CO2药芯焊丝发尘量的主要途径是,调整药芯成分的配比,如控制药芯中含氧化铁(铁鳞)1.5~6.0%、铁粉10~50%、稳弧剂(Na2O、K2O等)0.3~0.4%、TiO2 20~50%、SiO2 1~9%、Al2O3 1~12%、ZrO2 0.5~2%,焊丝的发尘量可降到与实芯焊丝相当的水平。
  • 将制作药芯焊丝的钢带含碳量,由通常的0.08%降至0.045%以下,可使焊丝发尘量减少30%,也使CO2药芯焊丝发尘量与实芯焊丝大致相同。
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3.碱性药芯焊丝设计
  • 碱性药芯焊丝的药芯主要是由碳酸盐、氟化物和硅酸盐等物质组成。
  • 熔渣的碱度较高,焊缝金属具有良好的塑性和优异的低温冲击韧性。
  • 碱性药芯焊丝属于CaO-CaF2-SiO2渣系,由于渣中CaO和CaF2的含量较多,SiO2的分解被阻止,使其难以产生强烈的置换氧化反应,再加上药粉中有强脱氧剂。因此,焊缝的含氧量较低,氧化物夹杂极少。
  • 碱性药芯焊丝的碱度较大,能降低焊缝的氧、硫含量,这是因为增加渣中的CaO和MnO的含量,有利于脱硫。同时渣中加入CaF2,能降低渣的粘度,也有利于脱硫。
  • 为减少焊缝中的含磷量,必须限制钢带和药粉的磷含量。
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碱性药芯焊丝的扩散氢含量通常都在5ml/100g以下,有些可将其扩散氢含量控制在3ml/100g以下。
  • 碱性药芯焊丝焊缝的氧含量、杂质含量及扩散氢含量均较低,所获得焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性好,具有优良的综合力学性能,使其在药芯焊丝发展初期的几年间成为药芯焊丝的主要品种。
  • 碱性药芯焊丝又有许多缺点,如电弧过渡呈粗颗粒过渡形式,不能达到准射流过渡;焊道成凸形和飞溅大;熔渣的流动性太大,不易实现全位置焊接,即使是细直径碱性药芯焊丝,采用直流正接和短路过渡形式,虽可进行全位置焊接,但易造成未熔合等缺陷。
  • 采用脉冲焊接技术可提高碱性药芯焊丝的操作性能,但脉冲焊接技术的运用也仅能在一定程度上提高碱性药芯焊丝的全位置焊接性,焊道凸度、浸润角和根部熔深仍达不到理想效果。因此,现在碱性药芯焊丝已被钛型药芯焊丝逐步取代。
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4.金属粉型药芯焊丝设计

金属粉型药芯焊丝最显著的优点:

  • 更高的熔敷速度 同熔渣型药芯焊丝和实芯焊丝相比,金属粉型药芯焊丝的熔化速度可提高10%~20%。
  • 较大的熔敷效率 实芯焊丝的熔敷效率最高,一般为90%~98%。熔渣型药芯焊丝的熔敷效率一般为80%~87%。金属粉型药芯焊丝的熔敷效率一般为91%~95%(1.2mm焊丝)和93%~96%(1.6mm焊丝)。
  • 焊缝表面渣量少
  • 焊接飞溅小 金属粉型药芯焊丝由于加入了一定量的稳弧剂,如TiO2、K2O、Na2O等,电弧燃烧稳定。
  • 焊缝成型好
  • 焊接烟尘量少
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典型的自保护药芯焊丝药粉和熔渣的基本成分

5.自保护药芯焊丝设计

(1)自保护药芯焊丝设计基础

  • 自保护药芯焊丝20世纪50年代末出现于美国和前苏联,随后得到了很大发展,尤其在高层建筑、输油管道和海洋平台等领域得到广泛应用。
  • 自保护药芯焊丝首先要解决的问题是如何使熔融金属不受空气(氮和氧)的侵害,使焊缝金属不出现气孔。其次,应保证焊缝金属具有合适的强度和塑韧性。
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自保护药芯焊丝焊接时焊缝中产生气孔的原因:

1)空气中的氧同熔融金属反应生成氧化铁,钢中的碳同氧化铁反应,生成CO气体,在焊缝金属结晶时来不及逸出而产生气孔。

2)空气中氮的侵入,形成氮气孔。

  • 防止CO气孔的方法是在药粉中加入一定量的Al、Ti、Si等脱氧剂,其与氧的亲合力比铁大,阻止了熔融金属同氧结合生成氧化铁。
  • 在自保护药芯焊丝中加入一定量的Al、Ti等强氮化物形成元素,生成稳定的氮化物可以防止形成氮气孔。但焊缝中氮化物的数量超过一定极限,则会造成焊缝金属冲击韧性的下降,同时,过量的Al存在于焊缝金属中,还会引起晶粒粗大,严重影响焊缝金属的塑韧性。
  • 通过焊丝中某些药粉在焊接时的汽化和分解,释放出气体形成保护屏障来隔绝空气,防止气孔。
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药粉中常加入大理石和萤石,焊接时释放出气体,将熔融的金属与空气隔开。
  • 氟化钙的沸点为2500℃,因为熔滴表面的温度高于2500℃,所以环绕着焊丝尖端会形成一个CaF2蒸气囊,阻止空气侵入钢液的表面。
  • 碳酸钙分解所释放出的CO2是保护气体。
  • CaF2破坏电弧和熔滴过渡的稳定性,并产生有害气体,同时,焊丝药粉中碳酸钙分解出的CO2气体会使飞溅增大,甚至使焊丝表皮爆开。
  • 现代自保护药芯焊丝配方设计中,为了提高焊丝的工艺性能和操作性能,萤石和大理石类碳酸盐在药粉中的含量已大大降低,许多配方甚至不采用碳酸盐。
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A1作为一种强脱氧剂和氮化物形成元素,几乎被用于所有的自保护药芯焊丝。
  • A1的熔点为660℃,沸点是2467℃,通过反应生成稳定的氧化物和氮化物。
  • Al是一种强铁素体形成元素,过量的Al会大大降低焊缝金属的塑性,使焊缝金属脆化。
  • 需加入一些强奥氏体形成元素来抵消过量的A1所带来的有害作用,C作为一种强奥氏体形成元素常常被加入药粉中,细化焊缝金属晶粒,提高塑性。
  • 自保护药芯焊丝中C和Al要做到一个很好的平衡,否则会严重影响焊缝金属的塑韧性。
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Mg也是自保护药芯焊丝中常用的一种强还原剂和氮化物形成元素。Mg的沸点较低,易挥发,使其还原和脱氧的作用降低。
  • Ti和Zr都是强氮化物形成元素,但它们沸点较高,不会形成金属蒸气来保护熔融金属。
  • Li可在熔滴尖端形成保护蒸气,防止氮气的侵入,此外,Li还可以抑制氮气的沸腾,对焊缝的冶金性能没有不利影响。由于Li的沸点比钢的熔点低,因此焊缝中不会残留Li。
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在自保护药芯焊丝的药粉中加入大量的LiCO3,不加入大量的氮化物形成元素(如Al等),就完全可以抑制氮气孔的产生,且对焊缝的冲击性能影响不大。
  • 大量的碳酸锂分解释放出的CO2气体,会造成飞溅增大,严重影响焊丝的焊接工艺性能。
  • 应选择其它Li的化合物(如硅酸锂,氟化锂等),尽量避免使用大量的LiCO3。
  • 硅酸锂,氟化锂等锂的化合物同还原剂结合,在焊接电弧热作用下将锂还原出来。硅酸锂一般可被Al,Mg或Si等还原剂还原,但氟化锂最好用Ca作为其还原剂,但Ca在空气中很不稳定,易同空气中的水分发生反应。
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BaCO3的分解温度较高,不会在焊丝加热时象CaCO3一样分解出CO2气体,造成焊丝表皮爆裂。
  • Ba的化合物还有一个很突出的优点,就是Ba的化合物在焊接时支持很短的电弧。例如,采用CaF2-A1系自保护药芯焊丝焊接,如果在某一给定电流下能保证电弧正常燃烧的电压为22V,而对于BaF2-Al系药芯焊丝,此时的电压可能只需要13V~14V。
  • 药粉中加Ba的自保护药芯焊丝用于管道焊接,在240A的电流下其熔敷率仅为1.4kg/h。低电压下电弧稳定燃烧的另一个优点就是电弧短,可以减少焊接时熔滴吸收的氮量。
  • 在许多海洋平台、管道焊接中使用的药芯焊丝大都含有Ba元素。但是,一些Ba的化合物会产生有毒气体,这是一个不利因素。
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氟化物是很好的造渣剂和造气剂,Al是强氮化物形成元素、脱氧剂和造渣剂,这些物质在自保护药芯焊丝的药粉中所占比例较大,且其密度低、流动性差。因此,生产中达到自保护药芯焊丝的填充率就比较困难。
  • 将几种原材料结合进行预熔和烧结,提高药粉的比重,同时改善药粉的流动性,解决自保护药芯焊丝的制造难题。
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(2)自保护药芯焊丝设计示例
  • CaF2 67%、CaCO3 3%、Mn-Fe 5%、A1-Mg 17%、Ni 8%,药芯占焊丝总重的22%。

采用CaF2和Mg作造气剂,采用Al-Mg合金作脱氧和脱氮剂。需在药芯中加Ni,抵消Al使韧性下降的有害作用。

  • 改进:

少加Ni,加入多种氟化物的自保护药芯焊丝,氟化物以加入CaF2为主,同时再加入一部分LiF、K2ZrF6、Na2ZrF6等特殊氟化物,则保护效果更好。因为这些氟化物更容易气化,分解出的K、Na等也有稳定电弧作用,Zr还能细化晶粒。

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